激光粒度仪测试阻燃剂级氢氧化镁粒度分布＊

周 敬,韩凤清,罗重光,闫建平,刘志启

(1.中国科学院盐湖资源与化学重点实验室,中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;2.中国科学院研究生院)

化工分析与测试

激光粒度仪测试阻燃剂级氢氧化镁粒度分布＊

周 敬1,2,韩凤清1,罗重光1,2,闫建平1,2,刘志启1,2

(1.中国科学院盐湖资源与化学重点实验室,中国科学院青海盐湖研究所,青海西宁 810008;
2.中国科学院研究生院)

建立了实用、准确和快速的阻燃剂级氢氧化镁粉体粒度分布的测试方法。采用MS2000激光粒度分析仪研究了待测样品质量、泵转速、分散时间、分散介质、分散剂种类以及分散剂质量浓度等因素对阻燃剂级氢氧化镁粉体粒度分布测试结果的影响。适宜条件:以 700 mL水为分散介质,洗洁精为分散剂,分散剂质量浓度控制在0.1～0.3 g/L,氢氧化镁粉体样品质量范围为 0.020～0.035 g,泵转速为 1 400～2 000 r/min,超声波分散时间为2～5 min,超声波分散后立即测量。

激光粒度分析;阻燃剂;氢氧化镁;分散

氢氧化镁微细颗粒的尺寸大小和分布参数与颗粒的特性密切相关,同时也是氢氧化镁阻燃剂的生产制备和应用中一个非常重要的指标。激光粒度分析仪对颗粒粒度的分析具有快速、准确、便捷、工作状态可靠、重复性好的特点,因而得以迅速推广使用。目前,粒度测定方法并没有一个特定的通用标准,有的学者对各自行业所需粉体的粒度进行过研究[1-6],但用激光粒度仪测定阻燃级氢氧化镁粒度分布的研究至今未见文献报道。笔者采用Malvern Master Sizer 2000型激光粒度分析仪,对阻燃剂级(微米级)氢氧化镁粉体粒度测量中的多个影响因素进行研究,确定了激光散射法测定氢氧化镁粉体粒度分布的最佳参数。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

马尔文激光粒度分析仪 (Master Sizer 2000);1 000 mL玻璃烧杯。放置 12 h以上的自来水,二次去离子水,无水乙醇,自配氢氧化镁饱和溶液。粉体样品来自美国 Huber公司,用途为阻燃剂。

1.2 试验方法

为探讨氢氧化镁粉体粒度测试的影响因素,将改变参数用激光粒度分析仪做条件试验。与氢氧化镁粉体颗粒分散有关的因素主要有样品质量、分散介质、泵转速、超声波分散时间、分散剂类型及质量浓度等。

2 结果与讨论

2.1 粉体样品质量对粒度测定结果的影响

以 700 mL水作分散介质,不加表面活性剂,称量不同质量氢氧化镁粉体试样,从 0.010 g以0.005 g递增至 0.050 g,分别使用超声波分散5 min,然后进行粒度测定,结果见表 1。

表1 样品质量对D50测定结果的影响

由粒度分布曲线看出,样品质量在 0.020～0.035 g时,D50变化不大。样品质量为 0.020,0.025,0.035 g时系统相对稳定,粒度分布曲线平滑,信噪比较高。样品质量大于 0.040 g时,粒度分布曲线变宽。样品量过少时,被测样品系统不够稳定,遮光度仅在 5%左右,信噪比较低。故确定样品质量范围在 0.020～0.035 g。不同粉体其适宜的样品质量范围需要通过实验验证。

2.2 泵转速对粒度测定结果的影响

Malvern激光粒度仪的搅拌器与泵组合在一起,泵转速的确定是一个关键因素。分析样品颗粒的分散是否完全均匀与泵转速有很大关系。以水作分散介质,称取 0.030 g左右的氢氧化镁粉体试样10份,改变泵转速,分别超声分散 5 min,然后进行粒度测定,结果见图 1。由图 1可见:泵转速为1 400～2 000 r/min时,累积分布曲线几乎全部重合达到稳定。当泵转速为 2 200～2 400 r/min时,分布曲线些微偏离,结果偏粗。一般说来过高的泵转速易产生气泡,气泡粒径明显大于氢氧化镁粉体颗粒粒径,从而影响测试精度。

图1 泵转速与粒度累积分布曲线关系

2.3 超声波分散时间对氢氧化镁粒径的影响

以 700 mL水作分散介质,选用泵转速为1 600 r/min,用内置超声波分散器分散不同的时间,然后进行粒度测定,D50随超声波分散时间的变化趋势见图 2。从图 2可知:经过超声波震荡后,试样溶液细颗粒的分布含量远高于未经超声波振荡;持续超声 2 min以后,氢氧化镁粉体的粒径趋于稳定。因此,确定超声波分散时间为 2～5 min,如果颗粒团聚剧烈,可适当加长超声时间。

图2 超声波分散时间对氢氧化镁粉体粒度的影响

2.4 粉体试样经超声波分散后放置时间与粒度分布的关系

分散好的颗粒悬浮液要立即进行测试,不可放置太长时间,否则分散开了的颗粒会再次团聚,图 3为放置时间与测得粒径的关系图。由图 3可知:随着粉体试样溶液在样品池中滞留时间的增长,粒径有不断增大的趋势,粒度分布范围亦有从窄到宽的变化趋势。这是由于溶液中颗粒之间存在相互吸引作用,使部分分散的颗粒团聚在一起,颗粒粒径增大;其次,随着颗粒在溶液中静止状态时间的增长,颗粒将沉淀在样品池底部。因此,粉体试样在样品池中经超声波分散后放置时间应尽量短,应尽快进行测量,得出样品粒度分布曲线。

图3 粉体试样经超声波分散后放置时间与粒度分布的关系

2.5 分散介质对氢氧化镁粒径的影响

选择分散介质的一般原则是分散介质应该对被分散粉体有良好的浸润作用,同时又要考虑到低成本、无毒、无害、无腐蚀性。有些时候为了降低粉体颗粒的沉降速度,还可以在分散介质中加入增黏剂以增加体系的黏度[7]。在这里选用自来水、二次去离子水、氢氧化镁饱和溶液和乙醇作为分散介质,采用不同分散介质测得样品的D50分别为 2.208,2.317,2.304,2.449μm,表明自来水对氢氧化镁粉体的分散效果好于其他分散介质,测得的D50最小,并且粒度分布范围较窄 (由粒度分析曲线看出)。

2.6 分散剂种类及质量浓度对粒度测定结果的影响

粉体在水中通常是带电的,加入具有同种电荷的表面活性剂后,由于电荷之间的相互排斥而阻碍了表面吸附,从而达到分散粉体的目的。分散剂使用最多的是表面活性剂,表面活性剂的类型主要有:阴离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂、特殊类型的表面活性剂等[8]。试验中选用非离子 Nonient P40、阳离子型十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、阴离子型六偏磷酸钠及洗洁精为分散剂,分散剂种类对分散效果的影响见图 4。图 4结果表明:洗洁精的分散效果最好,粒度分布均匀;加入 Nodient P40、十六烷基三甲基溴化铵、六偏磷酸钠所得曲线基本重合;十二烷基苯磺酸钠不利于试样的分散。

图4 分散剂种类对试样的分散效果

为了探讨分散剂质量浓度对粒度分布的影响,称取 14 g洗洁精于 200 mL容量瓶中定容配制分散剂,以 700 mL水为分散介质,测量时依次加入 0.5,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0 mL新配分散剂,超声波分散 3 min,泵转速为 1 600 r/min,测试结果见图 5。由图 5可以看出:少量的分散剂对D50影响不大,当分散剂使用量增大到 1 mL时,D50迅速减小,粒度分布范围较窄 (由粒度分布曲线看出);随着分散剂体积从 2 mL增加到 7 mL即分散剂质量浓度从0.2 g/L增加到 0.7 g/L,D50呈现增加的趋势,并且粒度分布范围增宽,尤其是体积增大到 4 mL以后,原因可能是分散剂质量浓度增大,产生较多泡沫,影响了粒度分布。总之分散剂的用量不宜过大,以洗洁精为分散剂,质量浓度控制在 0.1～0.3 g/L为宜。

图5 分散剂用量对粒度测定结果的影响

3 结论

通过改变测定阻燃剂级 (微米级)氢氧化镁粉体粒度的多个影响因素,如分散介质、超声波分散时间、泵转速等,设计条件实验,利用 Malvern Master Sizer 2000型激光粒度分析仪进行测试,并对结果进行分析讨论,得出结论如下:1)阻燃剂级氢氧化镁粉体最佳样品质量范围为 0.020～0.035 g,最佳超声波振荡时间为 2～5 min;2)粉体试样经过超声波分散后宜立刻测试,否则易发生再次团聚,影响测试结果;3)阻燃剂级氢氧化镁粉体比较适宜的分散剂是洗洁精,用洗洁精分散氢氧化镁粉体时,最佳质量浓度为 0.1～0.3 g/L;4)测试氢氧化镁粉体时较适宜的泵转速为 1 400～2 000 r/min,选用自来水作为氢氧化镁粉体的分散介质可以达到较好的分散效果,还可以节约成本。

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M easurement of flame retardantmagnesium hydroxide particle size distribution by laser particle size analyzer

Zhou Jing1,2,Han Fengqing1,Luo Chongguang1,2,Yan Jianping1,2,Liu Zhiqi1,2
(1.Key Laboratory of Salt Lake Resources and Chem istry,Research Institute of Q inghai Salt Lake,Chinese Academy of Sciences,Xi′ning810008,China;2.Graduate University,Chinese Academ y of Sciences)

A practical,accurate,and rapid method for determination of particle size distribution of flame retardantmagnesium hydroxide was established.Factors that influence measurement of particle size of flame retardantmagnesium hydroxide powder,such as sample weight,pump speed,dispersing time,dispersingmedia,dispersant category,and dispersantmass concentration,were investigated by usingMS2000 laserparticle size analyzer.Suitable conditions formeasurement are as follows:with 700 mL water as dispersingmedium,with detergent as dispersant,mass concentration of detergent being controlled in 0.1～0.3 g/L,sample weight range of magnesium hydroxide powder in 0.020～0.035 g,pump speed in 1 400～2 000 r/min,the dispersing time in 2～5 min,and measuring at once after sonication.

laser particle size analysis;flame retardant;magnesium hydroxide;dispersion

TQ132.2

A

1006-4990(2010)03-0057-03

国家自然科学基金资助项目(40772079)。

2009-09-25

周敬 (1983— ),女,硕士研究生,主要从事粒度表征与测试方面的研究。

联系方式:quietship@163.com